三錨聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在深井掘進(jìn)過斷層帶施工中的應(yīng)用

田海峰，王俊峰

（烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017307）

1 概述

在斷層破碎帶施工巷道，開挖容易，支護(hù)卻極其困難，采用單一支護(hù)方式，往往不能奏效。對斷層破碎帶支護(hù)方式及施工工藝，煤礦工程技術(shù)人員進(jìn)行了不斷的探索和研究，迄今為止還沒有一種能適應(yīng)各個(gè)礦區(qū)的施工方法和支護(hù)方式。只有結(jié)合工程的具體地質(zhì)條件，科學(xué)運(yùn)用巷道支護(hù)理論，采用先進(jìn)的支護(hù)方式和科學(xué)的施工工藝，才有可能比較順利地通過斷層破碎帶，并使巷道易于維護(hù)而處于穩(wěn)定狀態(tài)。滕東礦采用錨網(wǎng)噴、錨索、錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)成功解決了深井高地應(yīng)力巷道過斷層破碎帶施工及支護(hù)難題。

2 工程概況及地質(zhì)條件

滕東礦是目前棗滕地區(qū)設(shè)計(jì)開采深度最深的礦井。礦井主采下二疊統(tǒng)山西組3下煤層，平均厚度6.2m，埋藏深度在800～1200m之間。3下煤為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層，其頂板為具有弱沖擊傾向性的頂板巖層。礦井采用臥式環(huán)形井底車場，井底車場埋深921m，設(shè)計(jì)均位于3下煤層底板細(xì)粒砂巖中。

根據(jù)礦井精查地質(zhì)報(bào)告及首采區(qū)三維物探資料分析，3下煤層及頂?shù)装鍘r層傾角平緩，層位穩(wěn)定，井底車場巷道及有關(guān)硐室不受斷層影響。

在井底車場實(shí)際施工中，揭露了F7斷層及次生斷層，分別穿過井底車場材料車線及3#、5#、6#交岔點(diǎn)、中央泵房管子道、井底煤倉機(jī)頭硐室。F7斷層由2條落差分別為10m和13m的正斷層構(gòu)成，斷層破碎帶總寬約5～10m，由3下煤、泥巖、角礫充填。斷層帶圍巖破碎，裂隙、片滑發(fā)育、膠結(jié)性差，易崩解，并伴有淋水。斷層帶附近煤體強(qiáng)度極低，且煤體與巖石的膠結(jié)性差；在受F7斷層及次生斷層影響，井底車場及3#、5#、6#交岔點(diǎn)相繼穿過3下煤頂板灰黑色粉砂巖、灰白色粗砂巖、灰色砂質(zhì)泥巖及3上煤層（焦）、3下煤層。

3 支護(hù)方案

井底車場巷道及有關(guān)硐室埋藏深、地壓大，地質(zhì)條件復(fù)雜。高地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、巷道開挖后的疊加應(yīng)力交互影響，給井底車場巷道的施工及支護(hù)帶來了很大困難。這種情況下要確保支護(hù)安全，必須通過改變應(yīng)力分配，充分利用圍巖自身的承載能力，擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，來提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力從而達(dá)到良好的支護(hù)效果。結(jié)合現(xiàn)場條件，決定在巷道開挖后立即進(jìn)行錨網(wǎng)噴、錨索一次支護(hù)，然后進(jìn)行錨注支護(hù)加固破碎圍巖，使破碎圍巖成為一個(gè)較強(qiáng)的承載體，然后對錨索進(jìn)行二次緊固，充分將巖石的應(yīng)力分散到深部巖層，提高了支護(hù)的剛度，以確保施工巷道持久穩(wěn)固。

3.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)

根據(jù)大埋深、高地壓及現(xiàn)場地質(zhì)條件，斷層帶及前后5m范圍內(nèi)采用?20mm×2200mm高強(qiáng)扭矩應(yīng)力錨桿支護(hù)，全長錨固，錨桿間排距均為800mm；全斷面使用?6.5mm絲徑、網(wǎng)格150mm×150mm焊接鋼筋網(wǎng)；每排錨桿均采用?18mm圓鋼焊接鋼筋梯；噴射砼標(biāo)號(hào)C20，噴射厚度120mm。具體支護(hù)設(shè)計(jì)見圖1。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)

采用?15.24mm快裝后應(yīng)力高強(qiáng)錨索，錨索排距不大于1600mm，每排5根，拱部、兩肩窩、兩墻各一根。斷層帶前后5m內(nèi)錨索長6000mm，斷層帶范圍內(nèi)錨索長8000mm，均采用加長錨固。斷層帶內(nèi)的錨索的安裝角度盡可能錨固到斷層破碎帶之外的穩(wěn)定巖層中。

圖1 井底車場材料線斷面支護(hù)圖（單位：mm）

3.3 錨注參數(shù)

（1）注漿錨桿。注漿孔深度盡可能深，保證破碎區(qū)應(yīng)完全固結(jié)，并超過此區(qū)。選用?32mm冷軋無縫鋼管加工的注漿錨桿，長2500mm。

注漿孔間排距要適宜，應(yīng)使兩孔滲透半徑貫通。注漿錨桿排距3m，每排4根，沿巷道拱幫均勻布置。

錨桿、錨索及注漿錨桿布置斷面圖、平面圖見圖2、圖3。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

（2）漿液制作：鑒于注漿目的是加固圍巖，選單液水泥漿，選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，水灰比（W/C）取0.6～1.0。為提高可注性，在水泥漿液中加入2.0%～2.5%的高效早強(qiáng)減水劑。注漿過程中，出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，選用水泥—水玻璃雙液漿。雙液漿選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，選用30°～40°Be水玻璃，水灰比（W/C）取0.7～1.0，水泥漿∶水玻璃＝1∶1（體積比）。

圖3 巷道支護(hù)平面圖

（3）注漿壓力：由于井底車場材料線距副井井筒較近，為防止注漿壓力過大對馬頭門和副井井筒造成破壞，注漿壓力一般不超過巖石單軸抗壓強(qiáng)度的1/3。圍巖嚴(yán)重破碎時(shí)注漿壓力不超過0.5MPa，較破碎時(shí)不超過1.0MPa，裂隙較小時(shí)1.0～2.0MPa，最高不超過3MPa。當(dāng)表壓達(dá)到穩(wěn)定壓力后，注漿泵運(yùn)行5～7min后停止注漿。

4 施工工藝

4.1 工作面的破巖方式

斷層帶圍巖破碎松散，在斷層帶中掘進(jìn)巷道，要縮小循環(huán)進(jìn)尺，一般不超過800mm。破巖方法最好以不破壞或少破環(huán)巷道圍巖為原則。破巖可采用風(fēng)鎬或手鎬，若采用鉆眼放炮破巖，也應(yīng)采用光面爆破。

4.2 錨網(wǎng)噴、錨索施工工序

工作面掘進(jìn)后立即初噴不低于50mm混凝土，接著安裝鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯、錨桿，然后打錨索作為一次支護(hù)。待錨注完畢巷道變形基本穩(wěn)定后二次復(fù)噴到設(shè)計(jì)厚度。

斷層帶附近圍巖松散、破碎，工作面圍巖開挖后，要立即對工作面圍巖進(jìn)行一次支護(hù)，防止圍巖暴露后的冒落、風(fēng)化和發(fā)生較大變形，以確保施工的安全。如圍巖開挖后難以成型，采用分臺(tái)階掘砌，及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)。

斷層破碎帶內(nèi)錨索孔有時(shí)難以成型，安裝錨索時(shí)先采用慢速錨固劑，后用中速錨固劑，避免安裝錨索過程中錨固劑提前固化。由于錨固劑與孔壁圍巖固結(jié)力較小，預(yù)緊錨桿、初次張拉錨索的預(yù)緊力均不要超過30kN，否則錨桿、錨索容易被拉出。待錨注加固圍巖后再二次張拉錨索至設(shè)計(jì)預(yù)緊力。

4.3 錨注工序

錨網(wǎng)噴支護(hù)后及時(shí)進(jìn)行錨注支護(hù)。如開挖過程中圍巖有可能隨掘隨冒時(shí)，必須采用工作面超前預(yù)注漿。如斷層帶圍巖裂隙發(fā)展變化緩慢，可先采用錨網(wǎng)噴、錨索一次支護(hù)，待圍巖裂隙發(fā)展變慢前后或進(jìn)入掘后穩(wěn)定期不久，進(jìn)行巷道壁后注漿。

5 工程實(shí)施效果

5.1 巷道變形量

一次支護(hù)后即進(jìn)行了巷道圍巖收斂變形觀測，如圖4所示。

圖4 巷道圍巖收斂變形觀測曲線圖

通過觀測結(jié)果可以看出，巷道變形持續(xù)的時(shí)間較長，圍巖變形量較大。采取錨網(wǎng)噴、錨索一次支護(hù)后，巷道圍巖移近速度、圍巖移近量依然較大，待采取錨注支護(hù)后，巷道圍巖移近速度、圍巖移近量逐漸減小，約一周后基本趨于穩(wěn)定。

5.2 錨桿、錨索承載狀況

由于斷層破碎帶圍巖松軟、破碎，錨固劑與圍巖之間固結(jié)能力差，雖然采取了錨桿全長錨固、錨索加長錨固，但錨桿、錨索初始錨固力一般低于30kN，錨桿、錨索有被拉出現(xiàn)象。采取注漿加固圍巖二次張拉錨索后錨索抗拔力增至67～95kN之間。

5.3 觀感質(zhì)量

2007年先后采用錨網(wǎng)噴、錨索、錨注聯(lián)合支護(hù)方式通過了井底車場、管子道、井底煤倉機(jī)頭硐室等斷層破碎帶，有出現(xiàn)開裂、變形跡象，觀感質(zhì)量優(yōu)良。

6 主要結(jié)論

6.1 破碎帶圍巖具有一定的承載能力

現(xiàn)代支護(hù)理論認(rèn)為圍巖既是施載體又是承載體，圍巖與支架應(yīng)形成一個(gè)有機(jī)的整體并共同承載，這是三錨聯(lián)巷支護(hù)理論基礎(chǔ)。

滕東礦斷層破碎帶圍巖松軟破碎，地應(yīng)力高，圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍大，此時(shí)，巖體處于峰后強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度狀態(tài)。滕東礦在較大范圍的斷層破碎帶采用先初噴、掛金屬網(wǎng)、使用鋼筋梯，然后安裝錨桿、錨索作為一次支護(hù)成功的經(jīng)驗(yàn)表明，即使范圍比較大的斷層破碎帶也具有一定的自身承載能力。這也說明斷層帶圍巖雖然松散，在斷層兩盤完整巖體及支護(hù)體圍壓的約束下，仍會(huì)以較高的殘余強(qiáng)度繼續(xù)保持傳遞應(yīng)力的能力，并且隨著圍壓約束的增加，斷層破碎帶圍巖承載能力提高。

6.2 錨固壓縮拱在斷層破碎帶具有積極作用

根據(jù)組合拱理論，對于拱形巷道，一定支護(hù)密度的錨桿，通過錨桿預(yù)緊力作用，在錨桿及錨固范圍的圍巖將形成壓縮拱，此壓縮拱可以承受外面?zhèn)鱽淼妮d荷。滕東礦在較大范圍的斷層破碎帶采用錨網(wǎng)噴、錨索作為一次支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，即使范圍比較大的斷層破碎帶錨固壓縮拱也是存在的，并且，壓縮拱承載能力隨著圍壓的增加而提高。提高錨桿、錨索的安裝應(yīng)力可以控制圍巖的早期變形和松動(dòng)圈的進(jìn)一步發(fā)展，增加圍巖自承能力，提高壓縮拱整體的承載能力，它是防止離層發(fā)生、減少圍巖變形的關(guān)鍵因素。

注漿加固后可以形成一個(gè)多層有效組合拱，即錨桿壓縮區(qū)組合拱、錨索壓縮區(qū)組合拱及漿液擴(kuò)散區(qū)加固拱，從而擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。

6.3 注漿加固圍巖，提高了圍巖強(qiáng)度與承載能力

采用斷層帶注漿，將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分；注漿加固圍巖，改變了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，使高地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等比較均勻地作用在圍巖與支護(hù)體上，降低了應(yīng)力集中程度。注漿后使得噴層壁后充填密實(shí)，使構(gòu)造應(yīng)力、疊加應(yīng)力等均勻地作用在噴層和支護(hù)體上，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而首先破壞。

[1]李景濤.高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚－索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)理研究[D].中國礦業(yè)大學(xué),2009.

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